專利名稱：產生改善的激光束的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在材料的表面處理中很有用的改善的激光束以及一種產生改善的激光束的裝置。本發(fā)明的改善的激光束包括在外部區(qū)比在中心區(qū)的強度更高的功率分布。本發(fā)明包括一種裝置，該裝置包括用于將激光束聚焦和/或定形成有利于材料表面處理的新穎截面的光學元件。本發(fā)明的激光束和裝置都有利于激光感應表面改善，下文中稱為“LISI”。
已經應用激光束來處理和/或加工工件，比如金屬工件。應用激光束進行材料的表面處理的已有技術的設備包括激光束發(fā)送系統(tǒng)和相對于激光束移動工件的運動系統(tǒng)。激光束對工件的處理的結果是許多變量的函數(shù)，包括但并不限于功率分布和激光束的形狀。應用激光束對工件表面進行均勻的處理通常是一種理想狀態(tài)。
一系列的已有技術的激光束處理設備都具有非均勻表面處理的缺點，因為這種設備所使用的激光束為高斯分布或正態(tài)功率分布。參見Jones等人的“Laser-beam Analysis Pinpoints Critical Parameters”,Laser Focus World(1993年1月)。另一種類型的已有技術的激光束在該束的整個橫截面上具有均衡或均勻的功率分布。這種激光束描述在美國專利US5,124,993中。這種均勻的功率分布由于增加了在激光束照射區(qū)的外圍區(qū)中的熱傳輸，因此能夠在這些區(qū)域中產生更小的能量沉積。
這種處理的非均勻性導致在所處理的工件的表面的非規(guī)則性以及在該激光束所照射的工件的表面下的非均勻的處理深度。已有技術的激光束結構通常為環(huán)行(circular)。這種環(huán)行束的功率密度中心最大，由此在該束的中心產生最大的能量沉積。典型的已有技術中的激光束的功率分布如在附

圖1A所示。
在LISI處理中，在點A處的功率為恒定的時間函數(shù)，因此沉積在點A的能量EDA與在點A處的功率PA與點A被照射的時間長度T的乘積成比例。當功率分布在空間上非均勻時，所得的能量沉積分布是成比例地非均勻的。
已有技術的激光束的高斯功率分布的另一個缺點是功率密度和相應的能量沉積以距離束中心的徑向距離的函數(shù)下降。因此，應用這種已有技術的激光束處理的工件在激光束的中心區(qū)過處理而在外部激光束區(qū)欠處理。處理的深度與功率分布成比例。被處理的區(qū)域在此稱為“熔化區(qū)”。在附圖1B中示出了在具有高斯功率分布的已有技術的激光束的典型的熔化區(qū)。在附圖1C中示出了從在附圖1B中所描述的熔化區(qū)分布和在附圖1A中所示的功率分布中得出的溫度的時間變化。
已有技術的處理方法在處理工件的過程中應用激光束的重疊以增加欠處理的外部區(qū)的處理深度。對于LISI處理，表面的特征比如光滑度和組成均勻性都很重要，尤其是硬度和抗腐蝕的特性。已有技術的激光束處理方法所要求的激光束重疊導致了在處理深度、組成和表面分布方面的非均勻性。所有這些非均勻性都是不希望的。
在照射之前在工件上淀積前體材料的LISI處理中，在前體材料并入到基片熔化之前，在環(huán)行束的外部區(qū)中的較低的功率密度可能導致該前體材料熔化并消失。這就可能導致非處理的輻射區(qū)。
激光束處理系統(tǒng)的效率是許多變量的函數(shù)，包括但并不限于激光束的形狀、大小以及功率分布。已有技術的激光束處理設備具有處理速率不足的缺陷，部分地導致了較小的束面積、非均勻的功率分布以及環(huán)行束形狀。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(a)改善功率分布，(b)提高表面質量，以及(c)提高表面處理的速率。通過應用一種激光束成形和聚焦裝置來實現(xiàn)這些優(yōu)點，該裝置產生具有一種新穎的功率分布的改善激光束，該新穎的功率分布為相對于中心區(qū)增加在外部區(qū)的功率。通過本發(fā)明的改善的功率分布得到改善的表面質量。提高的處理速率是由更大的非環(huán)行束表面面積以及更均勻的功率分布實現(xiàn)的。
本發(fā)明包括一種用于材料表面處理的改善的激光束以及用于產生這種改善的激光束的裝置。
該激光束進一步包括這樣的一種功率分布，該功率分布為在中心區(qū)基本恒定、在外部區(qū)增加以及在端部區(qū)以基本為階躍函數(shù)的方式降低。在此所使用的術語“在中心區(qū)基本恒定”意味著在中心區(qū)的功率分布偏差的最大范圍小于在中心區(qū)的最大的功率級的7.5％。
這種功率分布類似于蝙蝠頭，因此在此稱為“蝙蝠耳”分布。在外部區(qū)中的功率的峰值強度或幅值與在中心區(qū)的平均強度或幅值之比大于或等于1.2。
在中心區(qū)中的基本恒定的分布在中心區(qū)產生了基本均勻的能量沉積和材料處理。在外部區(qū)增加的功率分布補償在該區(qū)中的能量或熱流量的增加。
本發(fā)明可以用于具有足夠體積的工件的LISI處理以便在能量沉積區(qū)的之外的工件區(qū)(非能量沉積區(qū))用作較大的熱沉。工件的熱沉的特性使得在能量沉積區(qū)和非能量沉積區(qū)之間的界面處能量或熱流量增加。
在端部區(qū)中的功率分布的基本階躍函數(shù)降低提供了對在大致等于功率分布的寬度的區(qū)域中的材料處理的控制。這提供了一種改善的材料處理，其中沿著連續(xù)的平行通路將激光束施加到工件。在這種處理中，理想的是使激光束重疊最小，因為這種重疊相對于在束的中心區(qū)中的能量沉積增加了在重疊區(qū)中的能量沉積，因此降低了覆蓋面積的處理速率。
本發(fā)明的裝置還涉及用于產生本發(fā)明的激光束的光學元件的組合。該光學元件的組合包括準直光學元件、第一柱面光學元件和第二柱面光學元件。
該裝置包括將其設置獲得所描述的尺寸和能量分布的特性的光學元件。該裝置對準直的或非準直的輸入激光束進行適當?shù)木劢?，并可以將其構造成占最小的空間?？梢愿淖冊撗b置的焦距以滿足已有的或理想的性能要求。
因為通常是在除了相應的環(huán)行束的情況下的其它情況下運行，應用光纖光學地輸送輸入激光束，反向散射的能量的量和隨后可能的損失最小。將該裝置設計成光學元件主動冷卻或被動冷卻以使在整個情況下以較高的功率連續(xù)地運行。
一種氣體輸送系統(tǒng)可以并入到該裝置中以有助于激光處理和冷卻該裝置或防止污染光學元件。該裝置可以由任何結構材料制成，但從激光束的安全考慮應該包括不透明的壁。內壁表面和外壁表面可以施加以涂層增加對任何寄生反射的吸收。還應該使用保護性的玻璃蓋來保護光學元件不被污染且不改變該裝置的效率。還可以將該裝置設計成可以從安裝支架上分離開而本身不會被損壞。
圖1A描述了已有技術的激光束的高斯功率分布。
圖1B描述了在附圖1A中所描述的已有技術的典型激光束的熔化區(qū)。
圖1C描述了從在附圖1B中所描述的熔化區(qū)分布和在附圖1A中所示的功率分布中得出的溫度的時間變化。
圖2A描述了本發(fā)明的激光束在寬度尺寸方面的功率分布。
圖2B描述了本發(fā)明的激光束在長度尺寸方面的功率分布。
圖2C描述了本發(fā)明的激光束矩形橫截面分布的頂視圖。
圖3描述了本發(fā)明的裝置的實施例的側視圖。
圖4描述了本發(fā)明的裝置的實施例的頂視圖。
在優(yōu)選的實施例中，如附圖2C所示，本發(fā)明的激光束具有寬度尺寸22和長度尺寸24的矩形的橫截面20。在優(yōu)選的實施例中，所說的束的寬度尺寸至少為所說的束的長度尺寸的8倍。在下文中將在一半的最大強度的位置上所測量的寬度尺寸與長度尺寸之比稱為“縱橫比”。
如在附圖2中所示，本發(fā)明的激光束在寬度尺寸上包括這樣的功率分布，即該功率分布在中心區(qū)10基本恒定、在外部區(qū)12增加而在其寬度尺寸的端部區(qū)14上基本以階躍函數(shù)的方式降低。在外部區(qū)中的功率分布的強度或幅值與在中心區(qū)的強度或幅值之比大于或等于1.2。下文中稱該比率為“外部與中心強度之比”。
在如附圖2A所示的優(yōu)選實施例中，中心區(qū)延伸至少該激光束的寬度的50％。在如附圖2A所示的另一優(yōu)選實施例中，中心區(qū)在該激光束的寬度的60％-75％的范圍內延伸。
在如附圖2B所示的優(yōu)選實施例中，在長度尺寸上的功率分布基本恒定。在如附圖2B所示的優(yōu)選實施例中長度尺寸小于1毫米。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的激光束可以有選擇性地沿著與第一和第二激光束的長度尺寸平行的軸線移動。
本發(fā)明的裝置還涉及對從激光源中發(fā)射的激光束進行成形，使其最大的外部與平均中心強度之比率大于或等于1.2。這種裝置描述在附圖3和4中。它包括準直光學元件32，用于對從激光源發(fā)射的激光束進行準直。本發(fā)明進一步包括具有第一彎曲的外部表面33的第一柱面光學元件34。設置該第一柱面光學元件以從準直光學元件接收經準直的激光束。第一柱面光學元件與準直光學元件間隔0.1毫米至5,000.0毫米。
本發(fā)明進一步包括具有第二彎曲的外部表面35的第二柱面光學元件36，該第二彎曲的外部表面35設置在與第一彎曲表面旋轉錯開89.5度至90.5度的范圍內。第二柱面光學元件設置成接收來自第一柱面光學元件的激光束。在優(yōu)選的實施例中，第一和第二彎曲表面彼此正對著。
如附圖3和4所示，本發(fā)明的優(yōu)選的實施例進一步包括設置在激光束源和準直光學元件之間的雙凹面透鏡30，以使在所說的準直光學元件上比沒有雙凹面透鏡的情況投射更為發(fā)散的激光束。
在另一優(yōu)選實施例中，本發(fā)明進一步包括能夠發(fā)射波長為1.06微米的激光的激光源并進一步包括所說的激光束從其引出的600微米直徑的光纖。在優(yōu)選的實施例中，從雙凹面透鏡發(fā)射出的激光束的發(fā)散角度為4.4度。在優(yōu)選的實施例中，該透鏡可以由熔化的石英玻璃制成并且進一步包括一種適合于波長為1.06微米的垂直入射輻射的抗反射涂層。
在另一優(yōu)選的實施例中，雙凹面透鏡的焦距為75毫米并將其設置成距離激光束的有效激光源點98毫米。準直光學元件為焦距為100毫米的球形光學元件，并將其設置在距雙凹面透鏡41.3毫米處。
在一優(yōu)選的實施例中，第一柱面光學元件是一種焦距為200毫米并距離準直光學元件22毫米的柱面透鏡。在一優(yōu)選的實施例中，第二柱面光學元件是一種焦距為152.4毫米并距離第一柱面光學元件5毫米的柱面透鏡。第二柱面光學元件相對于第一柱面光學元件繞激光束的軸線旋轉90度，并將其設置得使它的彎曲表面對著第一柱面光學元件。在一優(yōu)選的實施例中，獲得理想的能量分布的焦平面位于距離第二柱面光學元件167.2毫米處。
本發(fā)明的前面的公開和描述都是實例性的和解釋性的。在不脫離本發(fā)明的精神的前提下可以在尺寸、形狀和材料以及實例性結構細節(jié)方面作出各種改變。
權利要求
1．一種激光束，包括一中心區(qū)和兩外部區(qū)，每個所說的外部區(qū)都包括外部邊沿，所說的激光束包括這樣的一種功率分布，該功率分布為在中心區(qū)基本恒定、在外部區(qū)增加而在外部邊沿以基本為階躍函數(shù)的方式降低，以使所說的束的最大的外部與平均中心強度之比大于或等于1.2。
2．權利要求1所述的激光束，其中所說的激光束具有包括寬度尺寸和長度尺寸的矩形橫截面輪廓。
3．權利要求2所述的激光束，其中所說的中心區(qū)延伸至少所說的束的寬度的50％。
4．權利要求3所述的激光束，其中所說的中心區(qū)延伸至少所說的束的寬度的60％-75％。
5．權利要求2所述的激光束，其中所說的束的縱橫比大于或等于8。
6．權利要求2所述的激光束，其中在長度尺寸上的功率分布基本恒定。
7．權利要求6所述的激光束，其中所說的長度尺寸小于1毫米。
8．權利要求2所述的激光束，其中所說的束沿著與所說的束的長度尺寸平行的軸線有選擇性地移動。
9．一種具有矩形橫截面輪廓的激光束，包括寬度尺寸和長度尺寸，所說的寬度至少為所說的長度尺寸大小的8倍，所說的激光束在寬度尺寸上進一步包括一種功率分布，所說的功率分布包括中心區(qū)和包括外部邊沿的外部區(qū)，所說的分布為在中心區(qū)基本恒定、在外部區(qū)增加而在所說的寬度尺寸的外部邊沿以基本為階躍函數(shù)的方式降低。
10．權利要求9所述的激光束，其中所說的中心區(qū)延伸至少所說的束的寬度的50％。
11．權利要求9所述的激光束，其中所說的束的縱橫比大于或等于8。
12．權利要求9所述的激光束，其中在長度尺寸上的功率分布基本恒定。
13．一種對從激光束源發(fā)射的激光束進行成形以使最大的外部與平均中心強度之比大于或等于1.2的裝置，包括a．設置成對從光源發(fā)射的激光束進行準直的準直光學元件；b．具有第一彎曲的外部表面的第一柱面光學元件，所說的第一柱面光學元件設置成從所說的準直光學元件接收經準直的激光束，其中所說的第一柱面光學元件與所說的準直光學元件間隔0.1至5,000.0毫米；以及c．具有第二彎曲的外部表面的第二柱面光學元件，該第二彎曲的外部表面設置在與第一彎曲表面旋轉錯開89.5度至90.5度的范圍內，所說的第二柱面光學元件設置成接收自第一柱面光學元件的激光束。
14．權利要求13所述的裝置，其中所說的準直光學元件是一種準直透鏡。
15．權利要求13所述的裝置，其中所說的第一和第二柱面光學元件都是柱面透鏡。
16．權利要求13所述的裝置，其中所說的第一和第二柱面元件整體形成。
17．權利要求13所述的裝置，其中所說的第一柱面光學元件的焦距為200毫米。
18．權利要求13所述的裝置，其中所說的第二柱面光學元件的焦距為152.4毫米。
19．權利要求13所述的裝置，其中所說的第一和第二彎曲表面彼此正對著。
20．權利要求13所述的裝置，進一步包括設置在激光束源和所說的準直光學元件之間的雙凹面透鏡，以使在所說的準直光學元件上投射更發(fā)散的激光束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在材料的表面處理中很有用的改善的激光束以及一種產生改善的激光束的裝置。本發(fā)明的改善的激光束包括在外部區(qū)比在中心區(qū)的強度更高的功率分布。本發(fā)明包括一種裝置,該裝置包括與焦點對準的光學元件和/或將激光束成形成有利于材料表面處理的新穎的分布的柱面光學元件和功率球面。本發(fā)明進一步包括一種應用這種裝置來聚焦和/或成形激光束以產生激光感應表面改善的方法,下文中稱為“LISI”。
文檔編號B23K26/06GK1311870SQ99809147
公開日2001年9月5日 申請日期1999年7月9日 優(yōu)先權日1998年7月31日
發(fā)明者約翰·A·霍普金斯, 弗雷德里克·A·施瓦茨, 瑪麗·H·邁凱, 瑟曼·D·邁凱, 納雷德·B·達霍特, 約翰·B·拜布爾 申請人:田納西大學研究公司